CN113378327B - 风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质，该方案通过建立有限元模型对风电叶片后缘失效模式进行预测，模拟风电叶片疲劳动态过程，同时可有效量化叶片呼吸效应，最终完成风电叶片的后缘抗开裂设计，彻底解决风电叶片后缘及其相关结构在叶片疲劳测试过程中的开裂问题。

Description

风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及风电叶片后缘抗开裂设计技术领域，尤其涉及一种风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
现有技术通过有限元静态分析方法，对叶片进行屈曲、纤维失效及纤维间失效分析。
而叶片失效往往发生在其疲劳动态过程，现有技术缺乏对叶片的动态分析，对叶片后缘失效模式难以预测。呼吸效应过于严重也是叶片失效的诱因之一，现有分析技术难以量化叶片呼吸效应，同时对其提出的改善方法缺乏理论依据。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质。
一种风电叶片后缘抗开裂设计方法，所述方法包括：采用有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，建立有限元模型；通过所述有限元模型模拟风电叶片疲劳测试过程的配重与加载设置，在风电叶片相应截面增加质量与激振重量；对所述激振质量施加激振力带动风电叶片运动从而模拟风电叶片疲劳动态过程；根据预设条件，在风电叶片的叶身上选择一组点作为目标点组，获取所述目标点组在所述风电叶片疲劳动态过程的位移变化，从而量化风电叶片的呼吸效应；提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果；根据所述呼吸效应和所述目标损伤结果，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
在其中一个实施例中，所述提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的理论损伤结果步骤之后，还包括：采用所述有限元模型模拟的配重与加载设置，对风电叶片进行疲劳测试，并获取一次循环产生的测试损伤结果；将所述目标损伤结果与所述测试损伤结果进行比较，进行误差验证。
在其中一个实施例中，所述将所述理论损伤结果与所述测试损伤结果进行比较，进行误差验证步骤之后，还包括：基于所述呼吸效应、所述理论损伤结果及所述测试损伤结果，对风电叶片的后缘参数进行调整，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
在其中一个实施例中，所述模拟风电叶片疲劳测试过程具体为风电叶片基于受迫振动的一个稳态过程，一次循环即为风电叶片承受一次损伤。
在其中一个实施例中，所述提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果，具体为：根据风电叶片在轴向、弦向及剪切方向的应变，基于风电叶片布层的杨氏模量，得到风电叶片对应的应力；根据风电叶片对应的应力，基于不同角度的纤维，将所述应力转换为纤维方向进行损伤计算，得到一次循环产生的目标损伤结果。
一种风电叶片后缘抗开裂设计装置，包括模型建立模块、参数设置模块、疲劳模拟模块、呼吸量化模块、损伤计算模块和后缘设计模块，其中：所述模型建立模块用于，采用有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，建立有限元模型；所述参数设置模块用于，通过所述有限元模型模拟风电叶片疲劳测试过程的配重与加载设置，在风电叶片相应截面增加质量与激振重量；所述疲劳模拟模块用于，对所述激振质量施加激振力带动风电叶片运动从而模拟风电叶片疲劳动态过程；所述呼吸量化模块用于，根据预设条件，在风电叶片的叶身上选择一组点作为目标点组，获取所述目标点组在所述风电叶片疲劳动态过程的位移变化，从而量化风电叶片的呼吸效应；所述损伤计算模块用于，提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果；所述后缘设计模块用于，根据所述呼吸效应和所述目标损伤结果，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。。
在其中一个实施例中，所述装置还包括疲劳测试模块和误差验证模块，其中：所述疲劳测试模块用于，采用所述有限元模型模拟的配重与加载设置，对风电叶片进行疲劳测试，并获取一次循环产生的测试损伤结果；所述误差验证模块用于，将所述目标损伤结果与所述测试损伤结果进行比较，进行误差验证。
在其中一个实施例中，所述装置还包括参数调整模块，其中：所述参数调整模块用于，基于所述呼吸效应、所述目标损伤结果及所述测试损伤结果，对风电叶片的后缘参数进行调整，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各个实施例中所述的风电叶片后缘抗开裂设计方法的步骤。
一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各个实施例中所述的风电叶片后缘抗开裂设计方法的步骤。
本发明有益效果：上述风电叶片后缘抗开裂设计方法、装置、设备及存储介质，通过建立有限元模型对风电叶片后缘失效模式进行预测，模拟风电叶片疲劳动态过程，同时可有效量化叶片呼吸效应，最终完成风电叶片的后缘抗开裂设计，彻底解决风电叶片后缘及其相关结构在叶片疲劳测试过程中的开裂问题。
附图说明
图1为一个实施例中风电叶片后缘抗开裂设计方法的流程示意图；
图2为另一个实施例中风电叶片后缘抗开裂设计方法的流程示意图；
图3为一个实施例中风电叶片后缘抗开裂设计装置的结构框图；
图4为另一个实施例中风电叶片后缘抗开裂设计装置的结构框图；
图5为一个实施例中风电叶片一次循环的运动过程图；
图6为一个实施例中PS面及SS面的提取点示意图；
图7为一个实施例中PS面与SS面同组点相对位移结果示意图；
图8为一个实施例中S-N曲线示意图；
图9为一个实施例中目标损伤结果与测试损伤结果关于应变方面的比较示意图；
图10为一个实施例中目标损伤结果与测试损伤结果关于位移方面的比较示意图；
图11是一个实施例中设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种风电叶片后缘抗开裂设计方法，包括以下步骤：
S110采用有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，建立有限元模型。
具体地，通过有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，同时利用结构动力学方法，通过有限的配重点设置，使叶片在疲劳测试过程中各截面弯矩载荷达到设计载荷。
S120通过有限元模型模拟风电叶片疲劳测试过程的配重与加载设置，在风电叶片相应截面增加质量与激振重量。
具体地，模拟叶片疲劳动态测试过程，对于叶片的摆振疲劳测试过程，其是基于受迫振动的一个稳态过程，一次循环即为叶片承受一次损伤；此步骤对激振器施加激振力带动叶片运动从而模拟叶片一次循环过程。
S130对激振质量施加激振力带动风电叶片运动从而模拟风电叶片疲劳动态过程。
具体地，叶片一次循环过程周期约为1.2s，其运动过程如图5所示，从①至②，而后从②至①，在从①至③，而后从③返回①；在①处时，此时叶片处于平衡状态，其速度达到最大值，叶片也处于未变形状态；在②处时，此时叶片减速至0m/s，同时叶片变形达到最大值，处于后缘受压前缘受拉状态；由于叶片PS面与SS面为非对称结构，其在③处时状态与②处时并不一致，在③处时，叶片处于后缘受拉前缘受压状态。
S140根据预设条件，在风电叶片的叶身上选择一组点作为目标点组，获取目标点组在风电叶片疲劳动态过程的位移变化，从而量化风电叶片的呼吸效应。
具体地，根据步骤S130中的计算结果，把PS面及SS面最大弦长附近的竖直方向(X轴方向)的位移较大的点作为提取点，具体如图6所示，提取点则是选择的点，提取点本质在于处于PS面与SS面的相对变形严重处；将PS面上的一个点与与之对应的SS面作为一组点，同组点三个方向位移相减即为PS面与SS面的相对变形，达到量化叶片呼吸效应的目的，同组点相对位移结果如图7所示。
S150提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果。
在一个实施例中，步骤S150具体为：根据风电叶片在轴向、弦向及剪切方向的应变，基于风电叶片布层的杨氏模量，得到风电叶片对应的应力；根据风电叶片对应的应力，基于不同角度的纤维，将应力转换为纤维方向进行损伤计算，得到一次循环产生的目标损伤结果。
具体地，提取步骤S130和步骤S140中的该些点处在轴向、弦向及剪切方向应变，根据布层的杨氏模量，可计算出其对应的应力，对于不同角度的纤维，需要将应力转换到纤维方向进行损伤计算，转换公式如下：
Figure BDA0003145353110000051
Figure BDA0003145353110000052
Figure BDA0003145353110000053
而后根据S-N曲线可计算出一次循环产生的损伤，S-N曲线及相应公式如图8所示。
其中，εa、γa为纤维主方向的应力与剪切应力，a为纤维的角度；εx、εy、γxy分别为叶片的轴向应力、弦向应力与剪切应力；Sk,M为材料主方向应力的均值，由于此次模拟的为一次动平衡循环过程，故Sk,M值为0；Sk,A为材料主方向应力的幅值，为此次动平衡循环过程的应变幅值乘以材料的杨氏模量；Rk,t、Rk,c为材料拉压方向的强度特征值；m＝10为环氧树脂基体层合板的S-N曲线斜率参数；
Figure BDA0003145353110000054
Figure BDA0003145353110000055
γM0＝1.35
C1a＝1.35，老化影响；C2a＝1.1，温度效应；C3a＝1.1，采用树脂灌输生产的层压板；C4a＝1.0，二次固化后的层压板；C2b＝1.1，温度效应；C3b＝1.0，单向布；C4b＝1.0，二次固化后的层压板；C5b＝1.1，叶片后缘：采用有限元法计算。
因此，
γMa＝γM0C1aC2aC3aC4a＝2.2052
γMb/C1b＝γM0C2bC3bC4bC5b＝1.6335
在一个实施例中，如图2所示，步骤S150之后，还包括：S161采用有限元模型模拟的配重与加载设置，对风电叶片进行疲劳测试，并获取一次循环产生的测试损伤结果；S162将目标损伤结果与测试损伤结果进行比较，进行误差验证。具体地，采用与有限元模拟时相同的配置方案，按照一比一制作风电叶片，并对叶片进行摆振疲劳测试，同时提取实测结果，由于疲劳测试过程是一个动态过程，提取应变及位移时程较为困难，此次提取应变及位移最大时的值，此应变最大值乘以杨氏模量即为损伤计算时的应力幅值Sk,A，位移最大值即为图7所示的位移幅值。对比理论计算结果与实测结果，(这里及后文的理论计算结果、理论值等都是对应步骤S150中得到的结果，即目标损害结果)，测试过程中最大应变对比结果如图9所示，最大位移对比结果如图10所示，由应变对比可知，理论值与实测值最大偏差为5％左右；理论位移值与实测值最大偏差12％左右，这是由于对于一些叶片截面，其实测载荷并不能完全与理论载荷一致，另一方面实测位移为3个方向的合位移，其测量时受干扰因素较多，导致其相对偏差较大；总体来说，应变与位移偏差都较小，可以验证方法的可行性。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S162之后，还包括：S163基于呼吸效应、目标损伤结果及测试损伤结果，对风电叶片的后缘参数进行调整，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。具体地，基于目标计算结果与实测结果，叶片PS与SS壳体在最大弦长附近相对变形较大，通过在壳体最大弦长附近增加布层，同时将叶片后缘小腹板起始位置向前移动以优化结构。
S160根据呼吸效应和目标损伤结果，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
具体地，根据量化后的呼吸效应、目标损伤结果，以及设置的各种参数和配置，完成对风电叶片的后缘抗开裂设计。
在一个实施例中，模拟风电叶片疲劳测试过程具体为风电叶片基于受迫振动的一个稳态过程，一次循环即为风电叶片承受一次损伤。
上述实施例中，通过建立有限元模型对风电叶片后缘失效模式进行预测，模拟风电叶片疲劳动态过程，同时可有效量化叶片呼吸效应，最终完成风电叶片的后缘抗开裂设计，彻底解决风电叶片后缘及其相关结构在叶片疲劳测试过程中的开裂问题。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种风电叶片后缘抗开裂设计装置200，该装置包括模型建立模块210、参数设置模块220、疲劳模拟模块230、呼吸量化模块240、损伤计算模块250和后缘设计模块260，其中：
模型建立模块210用于，采用有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，建立有限元模型；
参数设置模块220用于，通过有限元模型模拟风电叶片疲劳测试过程的配重与加载设置，在风电叶片相应截面增加质量与激振重量；
疲劳模拟模块230用于，对激振质量施加激振力带动风电叶片运动从而模拟风电叶片疲劳动态过程；
呼吸量化模块240用于，根据预设条件，在风电叶片的叶身上选择一组点作为目标点组，获取目标点组在风电叶片疲劳动态过程的位移变化，从而量化风电叶片的呼吸效应；
损伤计算模块250用于，提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果；
后缘设计模块260用于，根据呼吸效应和目标损伤结果，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
在一个实施例中，如图4所示，装置还包括疲劳测试模块261和误差验证模块262，其中：疲劳测试模块261用于，采用有限元模型模拟的配重与加载设置，对风电叶片进行疲劳测试，并获取一次循环产生的测试损伤结果；误差验证模块262用于，将目标损伤结果与测试损伤结果进行比较，进行误差验证。
在一个实施例中，如图4所示，装置还包括参数调整模块263，其中：参数调整模块263用于，基于呼吸效应、目标损伤结果及测试损伤结果，对风电叶片的后缘参数进行调整，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
在一个实施例中，提供了一种设备，该设备可以是服务器，其内部结构图可以如图11所示。该设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该设备的处理器用于提供计算和控制能力。该设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该设备的数据库用于存储配置模板，还可用于存储目标网页数据。该设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种风电叶片后缘抗开裂设计方法。
本领域技术人员可以理解，图11中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的设备的限定，具体的设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被计算机执行时使所述计算机执行如前述实施例所述的方法，所述计算机可以为上述提到的风电叶片后缘抗开裂设计装置的一部分。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风电叶片后缘抗开裂设计方法，其特征在于，包括：
采用有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，建立有限元模型；
通过所述有限元模型模拟风电叶片疲劳测试过程的配重与加载设置，在风电叶片相应截面增加质量与激振重量；
对所述激振重量施加激振力带动风电叶片运动从而模拟风电叶片疲劳动态过程；
根据预设条件，在风电叶片的叶身上选择PS面及SS面最大弦长的竖直方向存在位移的点作为目标点组，将PS面上的一个点与与之对应的SS面作为一组点，同组点轴向、弦向及剪切方向三个方向位移相减即为PS面与SS面的相对变形，从而量化风电叶片的呼吸效应，；
提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，基于风电叶片布层的杨氏模量，得到风电叶片对应的应力；根据风电叶片对应的应力，基于不同角度的纤维，将应力转换为纤维方向进行损伤计算，转换公式如下：
Figure FDA0003766500320000011
Figure FDA0003766500320000012
Figure FDA0003766500320000013
其中，εa、γa为纤维主方向的应力与剪切应力，a为纤维的角度；εx、εy、γxy分别为叶片的轴向应力、弦向应力与剪切应力；Sk,M为材料主方向应力的均值，由于此次模拟的为一次动平衡循环过程，故Sk,M值为0；Sk,A为材料主方向应力的幅值，为此次动平衡循环过程的应变幅值乘以材料的杨氏模量；Rk,t、Rk,c为材料拉压方向的强度特征值；m＝10为环氧树脂基体层合板的S-N曲线斜率参数；
而后根据S-N曲线得到一次循环产生的目标损伤结果；
采用所述有限元模型模拟的配重与加载设置，对风电叶片进行疲劳测试，并获取一次循环产生的测试损伤结果；
将所述目标损伤结果与所述测试损伤结果进行比较，进行误差验证；
根据所述呼吸效应和所述目标损伤结果，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述目标损伤结果与所述测试损伤结果进行比较，进行误差验证步骤之后，还包括：
基于所述呼吸效应、所述目标损伤结果及所述测试损伤结果，对风电叶片的后缘参数进行调整，基于目标计算结果与实测结果，在壳体最大弦长处增加布层，同时将叶片后缘小腹板起始位置向前移动，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟风电叶片疲劳测试过程具体为风电叶片基于受迫振动的一个稳态过程，一次循环即为风电叶片承受一次损伤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果，具体为：
根据风电叶片在轴向、弦向及剪切方向的应变，基于风电叶片布层的杨氏模量，得到风电叶片对应的应力；
根据风电叶片对应的应力，基于不同角度的纤维，将所述应力转换为纤维方向进行损伤计算，得到一次循环产生的目标损伤结果。
5.一种风电叶片后缘抗开裂设计装置，其特征在于，应用权利要求1-4中任一所述的风电叶片后缘抗开裂设计方法，包括模型建立模块、参数设置模块、疲劳模拟模块、呼吸量化模块、损伤计算模块和后缘设计模块，其中：
所述模型建立模块用于，采用有限元方法对风电叶片进行全尺寸建模，建立有限元模型；
所述参数设置模块用于，通过所述有限元模型模拟风电叶片疲劳测试过程的配重与加载设置，在风电叶片相应截面增加质量与激振重量；
所述疲劳模拟模块用于，对所述激振重量施加激振力带动风电叶片运动从而模拟风电叶片疲劳动态过程；
所述呼吸量化模块用于，根据预设条件，在风电叶片的叶身上选择一组点作为目标点组，获取所述目标点组在所述风电叶片疲劳动态过程的位移变化，从而量化风电叶片的呼吸效应；
所述损伤计算模块用于，提取风电叶片一次疲劳循环过程中的应力应变位移与时间的关系，得到一次循环产生的目标损伤结果；
所述后缘设计模块用于，根据所述呼吸效应和所述目标损伤结果，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括疲劳测试模块和误差验证模块，其中：
所述疲劳测试模块用于，采用所述有限元模型模拟的配重与加载设置，对风电叶片进行疲劳测试，并获取一次循环产生的测试损伤结果；
所述误差验证模块用于，将所述目标损伤结果与所述测试损伤结果进行比较，进行误差验证。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括参数调整模块，其中：
所述参数调整模块用于，基于所述呼吸效应、所述目标损伤结果及所述测试损伤结果，对风电叶片的后缘参数进行调整，完成风电叶片的后缘抗开裂设计。
8.一种风电叶片后缘抗开裂设计设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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